基于Unity3D平台的VR黄酒博物馆漫游交互系统开发

杨芳圆，蔡青青

（绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000）

1 背 景

博物馆是代表自然和人类文化遗产的实物场所，体现着一个国家或者地区的文明[1]。中国黄酒博物馆拥有丰富的馆藏，其黄酒物质与非物质遗产文化展示，展览了绍兴黄酒的器皿、历史、工艺、风俗及酒窖等[2]。由于黄酒博物馆仍存在门票价格过高以及多媒体播放厅长期封闭等问题，缺乏参观者，使得黄酒博物馆的很多资源闲置，并没有很好地促进黄酒文化的传播与交流，导致其无法充分发挥最大价值[3]。为了更好地发挥黄酒博物馆的高层次传播与交流功能，本文借助虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的特点，基于Unity3D平台，设计并开发了VR黄酒博物馆漫游交互系统，让参观者可以在任意时间地点，多角度、全方位地游览黄酒博物馆，让参观者“沉浸”在黄酒的历史文化氛围中，启发参观者主动获取、主动学习的意识，提升黄酒博物馆信息文化的传播效率[4]。

2 VR黄酒博物馆漫游交互系统设计

结合黄酒博物馆的展示内容与文化特色，本文设计的系统总体功能包括黄酒博物馆陈列厅、黄酒非遗展厅及VR交互三个方面，如图1所示。黄酒博物馆陈列厅主要以展示为主，用户以第一人称视角自由漫游，全方位地欣赏展品，聆听黄酒历史故事。对于所有展品，用户可以通过手柄选中展品，对展品进行旋转、缩放、移动以及查看展品介绍等功能。黄酒非遗厅包括酒技厅、花雕厅及手工酒作坊，主要以交互为主。借助Unity交互技术，添加碰撞检测，可以呈现黄酒酿造工艺、酒令投壶及花雕绘制等交互功能。

图1 系统总体功能结构设计

3 VR黄酒博物馆交互系统实现

系统的实现主要涉及三维场景制作、场景渲染以及虚拟交互等技术。三维场景制作采用3ds MAX软件，场景渲染采用Unity3D引擎，虚拟交互制作采用HTC VIVE相关技术。系统具体实现流程如图2所示。

图2 VR黄酒博物馆交互系统实现流程

3.1 三维场景制作

本文通过网络、实地考察、专家咨询等多种渠道，整理收集有关黄酒博物馆的素材资源。其中，通过实地参观黄酒博物馆，参考黄酒博物馆陈列的展品实物，利用3ds MAX软件，创建展品模型，组建黄酒博物馆文化元素及展品展示库。针对黄酒文化类别，团队通过咨询馆内黄酒研究专家，将需要展示的文化元素内容进行分类，划分为黄酒起源、黄酒品类、酒史佳话、酿酒技艺、品饮之道以及酒风酒俗等模块。

在虚拟现实系统中，虚拟现实技术的核心应用是营造逼真的虚拟环境。因此创建逼真的三维黄酒博物馆场景至关重要，也是本系统工作量最大的部分。团队根据前期素材的筛选整理以及与研究人员的讨论，确定黄酒博物馆中的建筑模型、展厅、展品、展板、展台等所有三维模型，以3ds MAX2021软件为建模工具，创建黄酒博物馆场景及其场景模型，依次给模型添加适当的材质纹理、进行UV展开，辅助上颜色、法线等各类贴图、创建灯光效果，使模型变得更精细更逼真，将每个模型渲染单独导出为独立的fbx文件，再导入虚拟开发引擎。最终形成的黄酒博物馆外观模型如图3所示。

图3 黄酒博物馆外观模型

模型制作完成后，需要将其导入Unity软件完成系统功能的交互，因此模型在制作过程中需要与Unity软件做好衔接。一方面需注意单位统一，Unity软件一般以米为单位，而3ds MAX软件以毫米为单位。另一方面，需注意模型的面数、点数，尽管高模效果最逼真、丰富，但对电脑系统的配置要求很高，因此应尽可能采用低模。为了提高低模的表现效果，使模型变小但又不破坏本身效果，可以使用烘焙技术[5]，也可以通过减面的方式，删除模型中不可见的面来优化模型。

3.2 Unity3D平台搭建

目前主流的VR开发引擎包括Unreal、VRP、Unigine Engine以及Unity3D，本系统采用的是Unity3D开发引擎。该平台支持多平台、多功能、多语言，本系统选用C#语言进行开发。将黄酒博物馆模型导入Unity3D引擎，首先检查模型的材质与贴图。由于Unity3D无法完全读取模型中的材质和灯光信息，若模型材质与贴图出现缺失，可通过平台的材质系统和光照系统，对导入的模型进行逐一编辑与调整。材质编辑可以通过创建一个Material（材质模板），将其Shader（材质实例）作为基础，选中对象，将Material赋在对象上，同步调整材质参数，完成材质编辑。Unity3D软件提供了4种不同类型的光源，分别是Directional Light、Point Light、Spot Light以及Area Light。本系统使用Directional Light模拟自然光，照亮场馆；使用Point Light制作壁灯，使用Spot Light充当展品呈现所需的射灯，使用Area Light制作各种灯带和射入光。在布光时，通过调整灯光的颜色、大小、方向和强度，配合材质调整中的高光、反光、折射及反射等参数，提升了场景画面的质感和真实感[6]。

VR黄酒博物馆漫游交互系统的开发包括两个部分，即视景数据创建和系统功能的开发。视景数据包括场景模型、场景效果、建筑信息及背景音乐等；系统功能则包括交互逻辑的实现、菜单选项及事件触发等[5]。系统功能的实现需要配置环境，在漫游交互中，系统采用Unity3D搭建虚拟现实平台，外接HTC VIVE硬件设备，在Unity软件中导入Steam VR相关插件，采用C#语言进行编程，实现摄像机视角的实时转换，使用户在VR黄酒博物馆沉浸式地漫游。

3.3 漫游交互开发

用户戴上HTC VIVE头盔进入黄酒漫游交互系统，以第一人称视角，通过头部的转动实现自主控制漫游方向，在黄酒博物馆博物馆的3D场景中漫游。为了提高用户的虚拟现实沉浸感，在场景漫游中添加交互功能。系统交互功能包括展品拾取、音视频播放、场景切换、用户漫游及碰撞检测等。

3.3.1 展品拾取

在黄酒博物馆展品拾取交互中，用户通过手柄射线激活菜单选项，扣下手柄扳机实现菜单功能；通过手柄移动，对场景中的展品进行360°旋转欣赏，实现流程如图4所示。尤其是在黄酒酿造工艺的呈现上，用户可以抓取物品，模拟酿酒的操作。

图4 展品拾取功能实现流程

3.3.2 音视频播放

虚拟场景中的音频、视频的功能与展品拾取功能一致，利用手柄进行控制，如图5所示。

图5 视频播放

3.3.3 碰撞检测实现

黄酒博物馆漫游交互制作的主要内容是对碰撞检测的研究，这也是虚拟现实制作的关键技术。本系统采用目前应用最广泛的层次包围盒碰撞检测算法。它用一个体积略大、形状简单的包围盒包裹复杂的物体模型，通过这种方法可以简单地判断模型是否发生碰撞。Unity3D引擎中可以构造几种碰撞体，包括盒碰撞体、胶囊碰撞体、球形碰撞体及网格碰撞体等。

其中盒碰撞体可以调整为大小不同的长方体，适用于形状规则的模型如门、墙等；胶囊碰撞体是基于一个圆柱体和两个半球体组成的一个整体，适用于不规则形状如人物模型的手指；球形碰撞体可以通过半径均匀调整球形碰撞体的大小，适用于形状规则的圆形模型；网格碰撞体可以创建出与所需模型一致形状的碰撞体，适用于任意的不规则形状模型。碰撞检测流程如图6所示。

3.4 系统实现

本文通过3ds MAX建模技术构建了VR黄酒博物馆的三维场景，采用Unity3D技术开发VR漫游交互功能，通过佩戴HTC VIVE虚拟现实头盔式现实设备，用户可以在一定空间内，获取黄酒博物馆场景中相关的多媒体信息，同时可以实现黄酒博物馆漫游与交互的沉浸体验。团队通过亲身体验和问卷调查等方式对用户体验进行了分析，实现效果良好。

4 结 语

本文以黄酒博物馆为研究对象，通过三维建模和Unity3D交互技术，设计开发了VR黄酒博物馆漫游交互系统，使用户可以更加便利地欣赏馆内展品，领略黄酒文化的魅力。系统打破了空间的限制，能够呈现更完备的黄酒文化。